Все мы так или иначе слышали о чёрных дырах. Но мало кто слышал о том, что они, на самом деле... лысые? Да-да, есть теорема, которая утверждает, что сии астрономические объекты не обладают волосами. Что это значит? И так ведь понятно, что волосы есть только у живых существ: у древних звероящеров или синапсид, у современных млекопитающих, у нас, людей, наконец... Однако, в нашем случае слово "волосы" приобретает немного другое значение. Давайте разбираться.
Теорема об отсутствии волос утверждает, что физически характеристики черной дыры полностью определяется всего тремя ее параметрами - массой, угловым моментом (спином) и электрическим зарядом (последним на практике можно пренебречь, поскольку материя в среднем не заряжена). Остальная информация об исходной материи, из которой появилась чёрная дыра (именно эту информацию называют волосами) скрывается за горизонтом событий, а потому теряется для внешнего наблюдателя. Горизонт событий - это некая физическая граница, за которой ничто не может повлиять на того, кто наблюдает. Проще говоря, события за ним перестают иметь какое-либо значение для окружающего мира, ибо из чёрной дыры уже не выбраться.
Итак. Получается, неважно, из чего образуется черная дыра - достаточно знать массу и скорость вращения её "строительных материалов" (у элементарных частиц есть такая характеристика - спин), чтобы предсказать конечный результат. В частности, 2 чёрные дыры, собранные из одинакового количества материи и антиматерии, будут выглядеть одинаково.
Тут можно привести такой пример. У людей периодически рождаются близнецы, имеющие почти одинаковый генотип. Однако, они могут быть совершенно разными людьми: один покрасит волосы в чёрный, другой останется блондином, один любит слушать тяжёлый рок, другой - поклонник рэпа, один проникнется коммунистическими идеями, а другой будет аполитичен. И так далее. То есть людей могут характеризовать самые разные факторы. А вот у чёрных дыр характеристики только 3. И потому, если у людей вряд ли будут совпадать вообще все характеристики - от генотипа до взглядов относительно того, из какого риса и как надо готовить настоящий узбекский плов - то найти чёрные дыры с тремя совпадающими характеристиками из всего трёх куда проще.
Эта теорема следует из теории относительности Альберта Эйнштейна. Однако, теоремой называть её некорректно. Строгого доказательства того, что у чёрной дыры нет волос, на самом деле, нет. А что если они, на самом деле, существуют?
В 2012 году математик Стефанос Аретакис, работавший тогда в Кембриджском университете, а теперь в Университете Торонто, предположил, что некоторые черные дыры могут иметь нестабильности (instabilities) на горизонте событий.
Нестабильности придали бы одним участкам горизонта черной дыры более сильное гравитационное притяжение, чем другим. Получается, что в таком случае даже идентичные черные дыры будут различимыми.
Однако уравнения Аретакиса показали, что это возможно только для так называемых экстремальных черных дыр - так называются те, которые имеют минимально возможное значение для массы, спина или заряда. И, по словам Чеслера, такие черные дыры не могут существовать в природе.
Но допустим, что есть почти экстремальная черная дыра, которая приближается к максимальным значениям, но не достигает их. Такая черная дыра может существовать, по крайней мере, теоретически. Опровергнет ли это теорему об отсутствии волос?
В докладе, опубликованном в конце января 2021 года, показано, что это возможно. Более того, земные детекторы гравитационных волн могут уловить такие волосы.
«Аретакис предположил, что существует некоторая информация, которая остается на горизонте событий», — прокомментировал Гаурав Ханна, физик из Массачусетского университета и Университета Род-Айленда, один из соавторов исследования. Ученые предполагают, что свидетельства образования черной дыры или более поздних возмущений горизонта событий (например, падение вещества в черную дыру) могут создавать гравитационную нестабильность на горизонте событий почти экстремальной черной дыры или рядом с ним. «Мы предполагаем, что гравитационный сигнал, который мы обнаружим, будет сильно отличаться от обычных черных дыр, которые не являются экстремальными», — говорит Ханна.
Последствия этого открытия будут значительным. «Если мы сможем доказать, что реальное пространство-время черной дыры за пределами черной дыры отличается от того, что мы ожидаем увидеть, тогда, я думаю, это будет иметь действительно огромное значение для общей теории относительности», — сказала Медейрос, соавтор октябрьского доклада, который посвящен тому, соответствует ли наблюдаемая геометрия черных дыр предположениям.
Однако, пожалуй, самым захватывающим моментом исследования является то, что оно открывает путь, как объединить наблюдения за черными дырами и фундаментальную физику. Обнаружение волос на черных дырах, пожалуй, на самых экстремальных астрофизических лабораториях во Вселенной, может позволить исследовать такие идеи, как теория струн и квантовая гравитация, таким способом, каким раньше это было невозможно.
Затем нужно посмотреть, какие сигналы мы будем обнаруживать с помощью детекторов гравитационных волн: сейчас мы работаем с LIGO и Virgo, но запускается новые инструменты, например, LISA, совместный эксперимент Европейского космического агентства и НАСА по исследованию гравитационных волн.
Хотя шансы обнаружить волосы не так велики, такое открытие поставит под сомнение общую теорию относительности Эйнштейна (рано обрадовались, антирелятивисты: до полного и безоговорочного краха оооочень далеко) и докажет существование почти экстремальных черных дыр.
Автор статьи: Viggo Jackson
#физика #астрофизика #просто о сложном #наука #общая теория относительности